A 30 Anys del Primer Analitzador Químic Seqüencial

Dr. Enginyer Mario Ignacio Weibel, responsable I+D+r Tecnología Difusión Ibérica S.L.

HISTÒRIA DEL PRIMER ANALITZADOR QUÍMIC SEQÜENCIAL D’ESPANYA

Quan darrere d’una història s’amaguen més de 30 anys d’evolució i desenvolupament sempre cal posar un context i intentar situar-se mentalment a l’espai i el temps on cada acció és duta a terme. Aleshores s’ha de pensar com si es tractés d’una obra de teatre, amb els seus actes i escenes. Som-hi!

Primer acte. França, principis de la dècada del 1980. Qui fet i fet seria el fundador de la nostra companyia, Jordi Subirana, es troba al costat d’un grup d’investigadors i emprenedors francesos i italians, donant forma al que seria posteriorment la revolució en l’analítica aplicada a l’enologia. En aquell moment, sense adonar-se’n, estaven plantant una llavor que aviat germinaria a l’altra banda dels Pirineus.

Segon acte. Gavà (Barcelona), a mitjans de la dècada del 1980. Jordi Subirana travessa la frontera cap a Espanya amb una maleta carregada de somnis i una il·lusió: portar la democratització i el progrés científic als laboratoris dels cellers espanyols. Aquells anys el concepte de laboratori en un celler era molt diferent de l’actual. La majoria dels cellers encara depenien dels serveis analítics de la Xarxa d’Estacions Enològiques creades el 1893 i les competències dels quals van ser transferides a les CCAA prop d’un segle després, el 1982. Als laboratoris abundava el material de vidre (matracs, pilotes, provetes, columnes de destil·lació i refrigeració), els encenedors Bunsen cremaven diàriament quina refineria de petroli per obtenir la graduació alcohòlica i els nivells de diòxid de sofre total, i els tècnics es multiplicaven amb una destresa impressionant entre destil·lacions, valoracions i mesures en els colorímetres, o espectrofotòmetres en el millor dels casos. Allò era una companyia de dansa il·lustre, amb els moviments perfectament oliats, però sempre a punt d’una caiguda que espatllés la performance.

Subirana venia de França amb una premissa: automatitzar els processos al laboratori. No era el primer a pensar-ho, però sí que va ser dels primers a adaptar una visió que van tenir dècades abans diversos científics i enginyers del món hospitalari. És el que avui es coneix com a innovació aplicada: traslladar els coneixements d’una altra àrea a un nou nínxol no relacionat directament amb l’anterior. Així, el 1986 crea Tecnologia Difusió Ibèrica, més coneguda per les sigles: TDI.

En aquells moments hi havia un debat entre els dos mètodes d’automatització més estesos a laboratoris d’hospitals arreu del món. El 1959, Hans Baruch va concebre als Estats Units el primer analitzador químic automàtic discret, el Robot Chemist. Un parell d’anys abans, el Dr. Leonard Skeggs, va asseure les bases de l’AutoAnalyzer, un analitzador per flux continu que va ser fabricat inicialment per la companyia Technicon. Les diferències entre l’un i l’altre mètode radicaven fonamentalment en com les mostres i els reactius eren processats i com la reacció química es duia a terme.

Els analitzadors de flux continu es caracteritzen perquè la reacció química es duu a terme en la mateixa línia de conducció de mostres i reactius, permetent d’una banda l’execució de diverses operacions (barreja, reacció, destil·lació, refredament, escalfament, separació per destil·lació i /o diàlisi, etc.), però limitant la velocitat de testeig com a màxim unes desenes de mostres a l’hora. Presentava diversos inconvenients per a la seva aplicació massiva en cellers, com ara: requeriment d’un ampli espai a la mesada, problemes de fugues per la gran quantitat de circuits necessaris, limitacions a un reduït nombre d’anàlisis ja que cada paràmetre requeria un canal propi per a la determinació, presència necessària del personal a càrrec de l’equip, etc. Aviat va ser fàcil adonar-se que aquesta tecnologia no seria adequada per a tots els cellers, no només pel seu alt preu sinó també per la poca adaptabilitat. Tot i així, TDI va ser pionera en la comercialització d’aquests equips en enologia durant els primers 5-6 anys de la història.

Tot i això, el 1992 ia la vista de les dificultats trobades, TDI comença a investigar la possibilitat d’utilitzar els analitzadors químics discrets, també anomenats seqüencials. En aquests equips, la reacció química entre mostres i reactius es duu a terme en un lloc especialment dissenyat: la cubeta de reacció. S’hi barregen mostres i reactius en la proporció necessària i es deixen durant un cert temps. D’aquesta manera, la diversitat de paràmetres que cal analitzar ve limitada únicament pel nombre de reactius que és possible carregar a l’analitzador i la velocitat de mostreig depèn del nombre de cubetes de reacció que tingui l’equip.

Ja el 1994, TDI introdueix al mercat espanyol el primer analitzador químic seqüencial: el VPI.

FOTO: Analitzador VPI.

Amb les limitacions pròpies de l’època va permetre als laboratoris dels cellers realitzar anàlisis ràpides, precises i econòmiques sense que calguessin grans inversions. Posteriorment, van venir altres analitzadors com el Lisa 200 el 1995, l’Enochem el 1997 pensat per a cellers mitjans i el Jolly el 1999, un semiautomàtic pensat per als cellers més petits.

FOTO: Analitzador Lisa 200.

Finalment, el 2008, es comença amb la comercialització dels analitzadors químics de la gamma Miura. Aquests analitzadors, amb l’evolució pròpia dels darrers 16 anys, van introduir conceptes innovadors com la distribució rotatòria, l’estació de rentat automàtic de les cubetes i d’altres relacionats amb el programari.

Actualment, aquesta gamma està formada per quatre analitzadors:
– Miura Micro: analitzador compacte i econòmic, de cubetes d’un sol ús, capaç de realitzar fins a 60 anaàlisi/hora.

FOTO: Analitzador Miura Micro.

– MiuraOne: analitzador compacte, amb estació de rentat, capaç de fer fins a 90 anàlisis/hora.

FOTO: Analitzador Miura One.

– Miura 200: analitzador d’alt rendiment, amb estació de rentat de cubetes inclosa, que permet una velocitat d’anàlisi de fins a 140 anàlisis/hora.

FOTO: Analitzador Miura 200.

– Miura 200 DA: l’analitzador de més capacitat, pensat per a cellers i laboratoris amb alta càrrega de treball. És capaç de realitzar fins a 240 anàlisis/hora gràcies al seu segon braç robòtic incorporat.

FOTO: Analitzador Miura 200 DA.

Més enllà de l’avenç de la tecnologia en aquests 30 anys, principalment al camp de la miniaturització de la robòtica, de l’electrònica i de l’òptica, tota la gamma d’analitzadors seqüencials discrets comparteix la mateixa manera de treballar. Potser el major avenç ha passat en la formulació dels reactius, ja que l’alliberament de patents, el descobriment de nous estabilitzants i la millora en la producció d’enzims de diagnòstic ha permès passar de reactius liofilitzats (amb les seves complexes etapes de preparació i la seva vida útil limitada) a la gamma actual de reactius TDI, la majoria d’ells llestos per ser utilitzats i amb estabilitats que superen ampliament l’any.

Funcionalitat d’un analitzador químic seqüencial.

Un analitzador automàtic seqüencial no és ni més ni menys que un espectrofotòmetre al qual se li han automatitzat una gran part de les seqüències de laboratori: dispensació de mostra i reactius, seguiment de la reacció química, lectura d’absorbàncies i càlcul de les concentracions incògnites. Evidentment, per arribar a la gamma actual d’analitzadors hi ha hagut una evolució des del colorímetre de filtres antic, passant pel semiautomàtic fins completament automàtic. No obstant això, podem parlar fonamentalment de 3 parts principals a tots ells.

Seguiment de la reacció

En primer lloc, cal entendre el funcionament d’una reacció química com a mètode de determinació d’un paràmetre. A l’analítica de vins hi ha dos tipus de mètodes fonamentals: els mètodes enzimàtics i els mètodes colorimètrics. Els primers es basen en la utilització d’un enzim, una mena de catalitzador biològic que s’encarrega d’accelerar una determinada reacció química en què intervé l’anàlisi d’interès, de manera que es forma un producte que és fàcilment mesurable a través del seguiment per espectrofotometria a la zona de l’ultraviolat. En els mètodes colorimètrics, en canvi, s’utilitzen compostos de naturalesa orgànica majoritàriament que reaccionen amb la molècula a analitzar i que, com a producte de reacció, generen un compost acolorit fàcil de monitoritzar per espectrofotometria a la zona del visible.

En el seguiment de la reacció química, el calibratge i el càlcul de la concentració desitjada de l’anàlisi d’interès és fonamental l’aplicació de la llei de Lambert-Beer que estableix que l’absorbància d’una mostra a una longitud d’ona determinada és directament proporcional a concentració. Per fer-ho, cal disposar d’un sistema complet d’espectrofotometria que contingui una font d’il·luminació, filtres i un mètode de lectura. Les làmpades, habitualment halògenes, s’encarreguen d’emetre el feix de llum en una àmplia regió de l’espectre UV-Vis, amb una vida útil estimada de 2000 hores d’ús. Per la seva banda, el sistema de filtres s’encarrega que el raig de llum que arriba a la cubeta de reacció sigui tan monocromàtic com sigui possible. Amb aquest objectiu, es fa servir una roda de filtres amb longituds d’ona seleccionades al rang 340-700 nm, cobrint així tot l’espectre d’aplicacions per a la determinació de paràmetres bàsics a l’enologia. L’amplada de banda que deixa passar cada filtre és relativament petita, usualment menor a 5 nm, assegurant així la correcta aplicació de les lleis que governen la interacció llum-matèria. Un cop el feix de llum monocromàtica passa per la cubeta de reacció, part dels fotons són absorbits per la barreja reaccionant. Així, quan el raig arriba al fotodetector, es mesura la intensitat de sortida de la cubeta i se la compara amb la intensitat de llum que arriba quan hi ha transparència (blanc de cubeta).

Als analitzadors més antics, la zona de reacció i la zona de lectura eren diferents. Mentre totes les reaccions es duien a terme en cubetes individuals dins d’una zona d’incubació a temperatura controlada, la lectura se solia fer en una cel·la o cubeta de flux única per la qual es feia passar la barreja de reacció al final del temps determinat la programació. Avui dia, tant la reacció com la lectura final, es realitzen a la mateixa cubeta de reacció. Un sistema de motor i corretja comandat pel processador realitza el moviment rotacional de les cubetes, permetent així que totes vagin passant en l’ordre establert a través del punt de dispensació de mostra i reactius i, passat el degut temps de reacció, per endavant del sistema òptic de seguiment i detecció.

En tots dos casos, l’avantatge dels analitzadors automàtics davant dels espectrofotòmetres tradicionals és la velocitat d’anàlisi i la rapidesa i la senzillesa del càlcul de les concentracions incògnita.

Dispensació de mostres i reactius

Ara que ja sabem com fer la determinació de l’analit, hem d’analitzar com manipular reactius i mostres. Als analitzadors semiautomàtics i als espectrofotòmetres aquestes etapes es realitzaven de forma manual, de manera que es consumia temps de l’operari a càrrec del laboratori. Els analitzadors seqüencials van esmenar aquest problema a través de la implicació de la robòtica en el disseny. Tots els analitzadors automàtics, des del VPI a la gamma Miura, tenen almenys un braç robòtic acabat en una agulla molt fina, que s’encarrega de repetir sistemàticament les accions següents: aspirar els volums necessaris de mostra i reactius, dispensar-los a la cubeta de lectura òptica i dur a terme l’homogeneïtzació.

Per dur a terme la dispensació de mostra i reactius cal utilitzar una xeringa o diluïdor que, en el cas de la gamma Miura, és un pistó ceràmic que permet dispensar amb altíssima precisió i repetitivitat volums en el rang de 2-450 μL (segons sigui mostra o reactiu). La qualitat dels materials amb què es fabrica el diluïdor és fonamental perquè l’equip pugui exercir la seva funció innombrables vegades al dia, sense presentar fallades ni pèrdues de precisió durant llargs períodes de temps.

Per evitar la contaminació creuada entre reactius i mostres, l’agulla del braç és sotmesa a processos de neteja automàtica entre mostra i mostra, i entre mostra i reactiu, de manera d’evitar la contaminació per arrossegament de matèria, fenomen conegut com a carry-over.

Quan la barreja de mostra i reactiu ha estat dispensada a la cubeta de lectura, és el mateix braç qui s’encarrega de l’homogeneïtzació, a través d’un sistema d’aspiració i descàrrega convenientment adaptat per evitar la formació de bombolles que poguessin alterar la lectura de l’absorbància. Un cop homogeneïtzada la barreja, es procedeix a fer el seguiment espectrofotomètric de la reacció. Perquè els enzims o el reactiu colorimètric puguin exercir la seva funció en temps relativament curts cal mantenir les cubetes de reacció a una temperatura constant i igual a 37 °C. Això s’aconsegueix mitjançant sistemes de calefacció per circulació d’aire, molt millors en eficiència i seguretat que els antics escalfadors per aigua. La gamma d’analitzadors Miura assegura així una temperatura de reacció de 37,0 ± 0,1 °C.

Un detall a tenir en compte és que, mentre el sistema d’escalfament de les cubetes assegura l’homogeneïtat de temperatura, els reactius solen mantenir-se en condicions de refrigeració per assegurar la seva conservació, elevar la seva vida útil i mantenir així l’estabilitat dels calibratges. Aquest salt tèrmic es resol tècnicament a través d’un sistema de preescalfament de la barreja de mostra i reactius en el braç robòtic, de manera d’assegurar que a l’entrar a la cubeta estiguin molt a prop de la temperatura òptima.

Un detall diferencial entre els diferents tipus d’analitzadors automàtics és que la cubeta de reacció pot ser d’un sol ús o reutilitzable, segons si l’analitzador posseeix o no un sistema automàtic de buidatge i rentat de les cubetes.

Programari de càlcul

Finalment, però sense treure importància a la resta de funcions, tots els analitzadors automàtics es completen amb un programari que comanda l’equip ia través d’una interfície permet a l’usuari realitzar operacions rutinàries com: posicionar reactius i mostres, executar calibratges dels diferents paràmetres, passar controls de qualitat i analitzar-los estadísticament, executar una o més anàlisis sobre una o diverses mostres a través de la confecció de llistes de treball, revisar resultats actuals i anteriors, generar reports i imprimir informes.

Aquesta interfície permet que, un cop carregada la llista de treball i posicionats les mostres i els reactius necessaris, la presència de l’operador ja no sigui necessària. D’aquesta manera queda alliberat per a altres qüestions dins del laboratori i el celler. Així, s’optimitzen temps i es millora la gestió diària del personal i les activitats.

Aquesta funció és el factor diferencial d’un sistema automàtic davant dels espectrofotòmetres tradicionals i fins i tot els semiautomàtics.

La importància de triar un analitzador

Tot i que el funcionament de qualsevol analitzador és relativament senzill, no tots els analitzadors són iguals per dos motius principals. En primer lloc, la fiabilitat i precisió de cada analitzador dependrà de la qualitat dels materials emprats en la fabricació de les peces clau (pistó ceràmic, agulla del braç robot, cubetes, llum, filtres, fotòmetres). En segon lloc, no qualsevol analitzador químic automàtic pot ser emprat per a lanàlisi de mostres tan complicades com el vi. Per cas, cal tenir en compte que els sistemes d’homogeneïtzació i els temps de reacció són molt diferents en el camp de l’enologia respecte al diagnòstic clínic i, així, la seva aplicació directa és lluny de ser tan fàcil com sembla. Per tant, el client hauria de confiar només en aquells analitzadors de provada resposta en enologia, els únics capaços de poder brindar resultats fiables.

TDI va ser i continua sent una companyia pionera en la investigació i desenvolupament d’analitzadors i reactius per a l’analítica en enologia. Els més de 38 anys d’experiència ens deixen un saber fer acumulat que, no només ens avala com a proveïdors, sinó que ens permet assegurar el funcionament correcte de tots els nostres analitzadors per a l’aplicació enològica.

Si teniu una necessitat analítica i voleu saber com resoldre-la, no dubteu a comunicar-vos amb nosaltres via mail info@t-d-i.es, a través del web www.tdianalizadores.com o de les nostres xarxes socials, i junts podrem trobar la millor solució.